จากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ไปจนถึงอินเวอร์เตอร์: คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับองค์ประกอบของระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ที่สมบูรณ์

เมื่อเทียบกับฉากหลังของการสนับสนุนระดับโลกของพลังงานที่ยั่งยืนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานที่สะอาดและหมุนเวียนได้ค่อยๆเข้าสู่ชีวิตของเรา ระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อย ๆ สำหรับการปกป้องสิ่งแวดล้อมการประหยัดพลังงานและข้อได้เปรียบอื่น ๆ อีกมากมาย ดังนั้นระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ที่สมบูรณ์นั้นประกอบขึ้นอย่างไร? เริ่มต้นด้วยส่วนประกอบพื้นฐานที่สุด - แผงเซลล์แสงอาทิตย์

แผงเซลล์แสงอาทิตย์หรือที่รู้จักกันในชื่อแผงโซลาร์เซลล์เป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ พวกเขาทำหน้าที่เหมือน "จับ" ที่มีประสิทธิภาพซึ่งรับผิดชอบในการแปลงแสงแดดเป็นพลังงานไฟฟ้า หลักการทำงานของมันขึ้นอยู่กับ "เอฟเฟกต์เซลล์แสงอาทิตย์" ที่มีชื่อเสียง เมื่อแสงแดดส่องบนแผงเซลล์แสงอาทิตย์โฟตอนจะโต้ตอบกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในแผงเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อกระตุ้นคู่อิเล็กตรอนรู อิเล็กตรอนและหลุมเหล่านี้เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่แตกต่างกันภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งก่อตัวเป็นกระแสไฟฟ้า

แผงเซลล์แสงอาทิตย์มักจะประกอบด้วยหน่วยเซลล์แสงอาทิตย์หลายหน่วย หน่วยเซลล์เหล่านี้ส่วนใหญ่ทำจากวัสดุซิลิกอนซึ่งเซลล์ซิลิกอนแบบ monocrystalline และเซลล์ซิลิกอนโพลีคริสตัลลีนเป็นเซลล์ที่พบมากที่สุด เซลล์ซิลิกอน Monocrystalline มีประสิทธิภาพการแปลงสูงโดยทั่วไปถึง 20% - 25% ซึ่งหมายความว่าสามารถแปลง 20% - 25% ของพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า กระบวนการผลิตค่อนข้างซับซ้อนและค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง แต่มีประสิทธิภาพการผลิตพลังงานที่มั่นคงและอายุการใช้งานที่ยาวนานถึง 25 - 30 ปี ประสิทธิภาพการแปลงของเซลล์ polycrystalline silicon ต่ำกว่าเล็กน้อยประมาณ 15% - 20} แต่ต้นทุนการผลิตค่อนข้างต่ำและมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนที่มีประสิทธิภาพในการใช้งานขนาดใหญ่และอายุการใช้งานสามารถเข้าถึงได้ประมาณ 20 - 25

นอกเหนือจากซิลิกอน monocrystalline และ polycrystalline silicon ยังมีแผงเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดอื่น ๆ เช่น amorphous silicon, cadmium telluride และ copper indium gallium selenide แผงเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนอสัณฐานมีข้อได้เปรียบของความยืดหยุ่นที่ดีและสามารถกลายเป็นฟิล์มบาง ๆ ได้ พวกเขามักจะใช้ในบางฉากที่มีข้อกำหนดพิเศษสำหรับรูปลักษณ์หรือพื้นที่ติดตั้ง แต่ประสิทธิภาพการแปลงของพวกเขาค่อนข้างต่ำโดยทั่วไป 6% - 12% Cadmium Telluride และ Compper Indium Gallium Selenide แผงเซลล์แสงอาทิตย์มีศักยภาพในด้านประสิทธิภาพและค่าใช้จ่ายในการแปลงและได้พัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่ส่วนแบ่งการตลาดของพวกเขายังคงต่ำกว่าซิลิคอน monocrystalline และ polycrystalline silicon photovoltaic

พลังงานที่เกิดจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์คือ DC ในขณะที่เครื่องใช้ไฟฟ้าส่วนใหญ่ที่เราใช้ในชีวิตประจำวันของเราจำเป็นต้องใช้ AC ในการทำงานอย่างถูกต้อง ในเวลานี้อินเวอร์เตอร์มีบทบาทสำคัญ มันเป็นเหมือน "ตัวแปลง" ที่มีมนต์ขลังซึ่งรับผิดชอบในการแปลงเอาท์พุท DC ของแผงเซลล์แสงอาทิตย์เป็น AC เพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานของผู้ใช้ที่แตกต่างกันเช่นครอบครัวและองค์กร

อินเวอร์เตอร์มีหลายประเภทและตัวเก็บอินเวอร์เตอร์รวมศูนย์อินเวอร์เตอร์สตริงและอินเวอร์เตอร์ไมโคร อินเวอร์เตอร์ส่วนกลางมีพลังงานสูงและโดยทั่วไปจะเหมาะสำหรับสถานีพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ มันรวบรวม DC ที่สร้างขึ้นโดยกลุ่มแผงเซลล์แสงอาทิตย์หลายกลุ่มและแปลง ข้อได้เปรียบคือค่าใช้จ่ายค่อนข้างต่ำและง่ายต่อการจัดการและบำรุงรักษาจากส่วนกลาง แต่เมื่อเกิดความผิดพลาดอาจส่งผลกระทบต่อการทำงานของระบบการผลิตพลังงานทั้งหมด อินเวอร์เตอร์สตริงแปลง DC เป็น AC แยกต่างหากสำหรับกลุ่มแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่แตกต่างกันจากนั้นรวม AC เหล่านี้ มันมีความยืดหยุ่นสูงกว่า แม้ว่าสตริงบางตัวจะมีปัญหา แต่ก็จะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของสตริงอื่น ๆ นอกจากนี้ยังสามารถเล่นได้ดีกว่าประสิทธิภาพการทำงานในสถานการณ์การติดตั้งของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีการป้องกันบางส่วนหรือทิศทางที่แตกต่างกัน ปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงการผลิตพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แบบกระจาย อินเวอร์เตอร์ไมโครถูกติดตั้งโดยตรงที่ด้านหลังของแผงเซลล์แสงอาทิตย์แต่ละแผงเพื่อแปลงเอาต์พุตพลังงาน DC ของแผงเซลล์แสงอาทิตย์แต่ละแผงแยกกัน คุณสมบัติที่ใหญ่ที่สุดคือมันสามารถตระหนักถึงการตรวจสอบอิสระและการติดตามจุดพลังงานสูงสุดของแต่ละแผงเซลล์แสงอาทิตย์ แม้ว่าแผงเซลล์แสงอาทิตย์จะถูกบล็อกหรือล้มเหลวแผงเซลล์แสงอาทิตย์อื่น ๆ ยังสามารถทำงานได้ตามปกติซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการสร้างพลังงานและความเสถียรของระบบการผลิตพลังงานทั้งหมดอย่างมาก อย่างไรก็ตามเนื่องจากอินเวอร์เตอร์ไมโครแต่ละตัวเท่านั้นที่สอดคล้องกับแผงเซลล์แสงอาทิตย์เดียวราคาค่อนข้างสูง

ในกระบวนการแปลงพลังงานไฟฟ้าอินเวอร์เตอร์ยังมีฟังก์ชั่นที่สำคัญอื่น ๆ ตัวอย่างเช่นฟังก์ชั่นการติดตามจุดพลังงานสูงสุด (MPPT) สามารถตรวจสอบกำลังเอาต์พุตของแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบเรียลไทม์และปรับพารามิเตอร์การทำงานโดยอัตโนมัติเพื่อให้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ทำงานได้ใกล้กับจุดพลังงานสูงสุดเสมอ นอกจากนี้อินเวอร์เตอร์ยังมีฟังก์ชั่นการป้องกันความปลอดภัยเช่นการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินการป้องกันกระแสเกินและการป้องกันการรั่วไหลเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานที่มั่นคงของระบบการผลิตพลังงานและความปลอดภัยของบุคลากรและอุปกรณ์

เพื่อให้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ได้รับแสงแดดได้ดีขึ้นจำเป็นต้องมีโครงสร้างการสนับสนุนที่มั่นคงซึ่งเป็นระบบวงเล็บ ระบบวงเล็บเป็นเหมือน "การสนับสนุนที่เป็นของแข็ง" สำหรับแผงเซลล์แสงอาทิตย์ มันไม่เพียง แต่มีน้ำหนักของแผงเซลล์แสงอาทิตย์เท่านั้น แต่ยังต่อต้านปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมตามธรรมชาติต่าง ๆ เช่นลมฝนหิมะ ฯลฯ

ระบบวงเล็บสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: แก้ไขและติดตาม วงเล็บคงที่นั้นง่ายต่อการติดตั้งและราคาต่ำ พวกเขาแก้ไขแผงเซลล์แสงอาทิตย์บนพื้นหลังคาหรืออาคารอื่น ๆ ในมุมที่กำหนดและการวางแนว มุมการติดตั้งของวงเล็บนี้มักจะได้รับการปรับให้เหมาะสมตามละติจูดในท้องถิ่นและเงื่อนไขการแผ่รังสีแสงอาทิตย์เพื่อให้แน่ใจว่าแผงเซลล์แสงอาทิตย์สามารถรับแสงแดดได้เพียงพอตลอดทั้งปี การติดตามวงเล็บนั้นฉลาดกว่า พวกเขาสามารถปรับมุมของแผงเซลล์แสงอาทิตย์โดยอัตโนมัติตามการเปลี่ยนแปลงในตำแหน่งของดวงอาทิตย์เพื่อให้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ยังคงตั้งฉากหรือเกือบจะตั้งฉากกับแสงแดด การติดตามวงเล็บโดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสองประเภท: การติดตามแกนเดียวและการติดตามสองแกน วงเล็บการติดตามแกนเดียวสามารถหมุนไปตามแกนหนึ่ง (โดยปกติจะเป็นแกนแนวนอนในทิศทางตะวันออก-ตะวันตกหรือแกนเอียงในทิศทางเหนือ-ใต้) ในขณะที่วงเล็บติดตามแกนสองแกนสามารถหมุนได้พร้อมกันในสองแกนโดยมีความแม่นยำในการติดตามสูงขึ้น

เมื่อเลือกระบบวงเล็บต้องมีการพิจารณาปัจจัยหลายอย่างอย่างครอบคลุม ตัวอย่างเช่นภูมิประเทศของไซต์การติดตั้งพื้นที่ที่มีอยู่สภาพภูมิอากาศในท้องถิ่นและงบประมาณ สำหรับโครงการผลิตพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แบบกระจายขนาดเล็กเช่นระบบเซลล์แสงอาทิตย์บนดาดฟ้าในครัวเรือนมักจะเลือกวงเล็บคงที่เนื่องจากพื้นที่ติดตั้งที่ จำกัด และความไวของต้นทุน ในสถานีพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ถ้าหากเงื่อนไขของไซต์อนุญาตและค้นหาประสิทธิภาพการผลิตพลังงานที่สูงขึ้นการติดตามวงเล็บอาจเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า

ในระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์แบตเตอรี่มีบทบาทของ "คลังสินค้าจัดเก็บ" ของพลังงานไฟฟ้า เมื่อมีแสงแดดเพียงพอกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์สามารถใช้งานได้โดยผู้ใช้ทันทีและสามารถเก็บกระแสไฟฟ้าส่วนเกินไว้ในชุดแบตเตอรี่ได้ ในกรณีของแสงแดดไม่เพียงพอในเวลากลางคืนหรือในวันที่มีเมฆมากชุดแบตเตอรี่จะปล่อยกระแสไฟฟ้าที่เก็บไว้เพื่อให้ผู้ใช้มีแหล่งจ่ายไฟที่ต่อเนื่องและเสถียร

แบตเตอรี่ชนิดทั่วไป ได้แก่ แบตเตอรี่กรดตะกั่วแบตเตอรี่ไฮไดรด์โลหะนิกเกิลและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แบตเตอรี่ตะกั่วกรดเป็นหนึ่งในแบตเตอรี่ที่เก็บพลังงานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด พวกเขามีข้อดีของต้นทุนต่ำเทคโนโลยีที่เป็นผู้ใหญ่และการบำรุงรักษาง่าย อย่างไรก็ตามความหนาแน่นของพลังงานของพวกเขาค่อนข้างต่ำปริมาตรและน้ำหนักของพวกเขามีขนาดใหญ่และค่าใช้จ่ายของวงจรการชาร์จและการปลดปล่อยของพวกเขามักจะอยู่รอบ ๆ 300-500 ครั้ง ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่นิกเกิล-โลหะไฮไดรด์ดีกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วกรด พวกเขามีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นการชาร์จที่ยาวนานขึ้นและอายุการใช้งานของวงจรการคายประจุ (สูงถึง 1, 000 ครั้ง) และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม แต่ค่าใช้จ่ายของพวกเขาก็ค่อนข้างสูง แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีข้อดีอย่างมีนัยสำคัญเช่นความหนาแน่นของพลังงานสูงปริมาตรขนาดเล็กน้ำหนักเบาประจุสูงและประสิทธิภาพการคายประจุและอายุการใช้งานที่ยาวนาน (โดยปกติจะสูงถึง 1, 500-3, 000 ครั้ง) แต่ค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูงในปัจจุบัน ในสถานการณ์แอปพลิเคชันที่มีความอ่อนไหวด้านต้นทุนการส่งเสริมการขายของพวกเขาอาจมีข้อ จำกัด บางประการ

เมื่อออกแบบและกำหนดค่าชุดแบตเตอรี่จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ เช่นความต้องการพลังงานที่แท้จริงของระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ความสามารถในการสร้างพลังงานของแผงเซลล์แสงอาทิตย์และสภาพแสงท้องถิ่น ตัวอย่างเช่นจำเป็นต้องกำหนดความจุแบตเตอรี่ที่เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าความต้องการไฟฟ้าพื้นฐานของผู้ใช้สามารถพบได้ในกรณีของวันที่มีเมฆมากอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกันก็จำเป็นต้องให้ความสนใจกับการจัดการการชาร์จและการปล่อยแบตเตอรี่ใช้กลยุทธ์การชาร์จและการปลดปล่อยที่สมเหตุสมผลยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่และลดต้นทุนการจัดเก็บพลังงาน

คอนโทรลเลอร์คือ "แม่บ้านอัจฉริยะ" ของระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ มันมีหน้าที่รับผิดชอบในการตรวจสอบและควบคุมระบบการผลิตพลังงานทั้งหมดเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานที่ปลอดภัยและมั่นคงของระบบ คอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่มีฟังก์ชั่นสำคัญต่อไปนี้:

อย่างแรกคือฟังก์ชั่นการควบคุมประจุและการปลดปล่อย สามารถตรวจสอบแรงดันไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าและพารามิเตอร์อื่น ๆ ของกลุ่มแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์และควบคุมกระบวนการชาร์จของแผงเซลล์แสงอาทิตย์โดยอัตโนมัติไปยังแบตเตอรี่ตามสถานะการชาร์จของแบตเตอรี่และสภาพการทำงานของระบบการผลิตพลังงานเพื่อป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่ถูกชาร์จมากเกินไป เมื่อแบตเตอรี่ชาร์จเต็มตัวคอนโทรลเลอร์จะตัดวงจรการชาร์จโดยอัตโนมัติเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อแบตเตอรี่ที่เกิดจากการชาร์จมากเกินไป และเมื่อพลังงานแบตเตอรี่ต่ำเกินไปคอนโทรลเลอร์จะควบคุมเพื่อหยุดการปลดปล่อยเพื่อป้องกันอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

ประการที่สองคือฟังก์ชั่นควบคุมจุดไฟสูงสุด คอนโทรลเลอร์สามารถปรับสถานะการทำงานของแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบเรียลไทม์โดยทำงานร่วมกับอินเวอร์เตอร์เพื่อให้มันทำงานใกล้กับจุดพลังงานสูงสุดเสมอดังนั้นจึงปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตพลังงานของแผงเซลล์แสงอาทิตย์

นอกจากนี้คอนโทรลเลอร์ยังมีการวินิจฉัยความผิดพลาดของระบบและฟังก์ชั่นการป้องกัน มันสามารถตรวจสอบแต่ละองค์ประกอบในระบบการสร้างพลังงานแบบเรียลไทม์ เมื่อตรวจพบความผิดพลาดเช่นวงจรลัดวงจรในแผงเซลล์แสงอาทิตย์ความร้อนสูงเกินไปของอินเวอร์เตอร์การรั่วไหลของแบตเตอรี่ ฯลฯ คอนโทรลเลอร์จะใช้มาตรการป้องกันที่สอดคล้องกันทันทีเช่นการตัดวงจรความผิดและออกสัญญาณเตือน

คอนโทรลเลอร์ที่ใช้ในระบบการสร้างพลังงานแสงอาทิตย์ประเภทและขนาดต่างกันก็แตกต่างกันเช่นกัน ในระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดเล็กมักจะใช้คอนโทรลเลอร์แบบบูรณาการที่ค่อนข้างง่าย มันรวมฟังก์ชั่นพื้นฐานเช่นการควบคุมประจุและการคายประจุและการควบคุมการติดตามจุดพลังงานสูงสุด มันมีขนาดเล็กและมีค่าใช้จ่ายต่ำและเหมาะสำหรับสถานการณ์แอปพลิเคชันขนาดเล็กเช่นระบบเซลล์แสงอาทิตย์บนดาดฟ้าที่บ้าน ในสถานีพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่จำเป็นต้องมีตัวควบคุมส่วนกลางที่ทรงพลังและชาญฉลาดมากขึ้น มันสามารถตรวจสอบและจัดการแผงโซลาร์เซลล์จำนวนมากอินเวอร์เตอร์ชุดแบตเตอรี่และอุปกรณ์อื่น ๆ ในสถานีพลังงานทั้งหมดเพื่อให้ได้การควบคุมระบบที่มีประสิทธิภาพและแม่นยำยิ่งขึ้น

ระบบการสร้างพลังงานแสงอาทิตย์ที่สมบูรณ์ประกอบด้วยส่วนประกอบหลายอย่างเช่นแผงเซลล์แสงอาทิตย์อินเวอร์เตอร์ระบบวงเล็บชุดแบตเตอรี่และตัวควบคุมที่ทำงานร่วมกัน แต่ละองค์ประกอบมีบทบาทที่ขาดไม่ได้ พวกเขาทำงานร่วมกันเพื่อแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นไฟฟ้าที่เราสามารถใช้ได้ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดการพัฒนาพลังงานอย่างยั่งยืน ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีและการลดต้นทุนอย่างค่อยเป็นค่อยไปโอกาสในการใช้งานของระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์จะกว้างขึ้นและคาดว่าจะดำรงตำแหน่งที่สำคัญกว่าในด้านพลังงานในอนาคต